潜明水库一期泄洪闸水工模型试验研究

包中进，屠兴刚，王月华，吕志升，姜宇强

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020;2.缙云县水利局，浙江 缙云 321400)

1 工程概况

潜明水库位于浙江省缙云县和磐安县境内，坝址位于瓯江流域好溪缙云县境内的左库水库附近，坝址以上集水面积304.8km2，水库坝址距壶镇约6.5km，缙云县城约25.0km，距丽水市区约63.0km。潜明水库是好溪水利枢纽的组成部分，工程任务是以防洪、供水 (灌溉)为主，结合发电兼顾水环境等综合利用。工程建成后，结合堤防等其他工程建设，使下游壶镇平原的防洪标准从现状5a一遇提高到20a一遇，缙云县城区防洪标准提高到50a一遇。

潜明水库一期工程主要枢纽建筑物有:拦河坝、泄水建筑物、发电引水建筑物、发电厂和升压站等工程组成。总库容3413万m3。

拦河坝位于左库水库库区，左库水库大坝上游400.00m处，坝型为常态混凝土重力坝。坝顶高程247.00m，最大坝高42.50m，坝顶长317.00m，坝顶宽5.00m。

泄洪建筑物为位于大坝中部，泄洪闸共设5孔，每孔净宽8.00m，以弧形闸门控制。溢流堰采用WES型实用堰，堰顶高程233.00m，下游堰面采用幂曲线。原设计方案泄洪闸采用底流消能，消力池高程210.50m，长60.00m，池深3.50m。消力池及护坦左右侧导墙高程217.00m。原设计方案的工程平面及剖面布置见图1和图2。

2 模型设计

采用整体水工模型进行研究。模型按重力相似准则设计，根据试验研究内容及场地要求等，整体模型几何比尺Lr=60。上游库区河道模拟至大坝以上300m，下游模拟到左库堰坝以下1000m，并在相应位置布置水位测针。溢流堰和闸墩均采用有机玻璃制作，溢流堰面上布置了测压孔。模型设计、模型制作及安装、试验测试仪器和测试方法均满足SL 155—2012《水工常规模型试验规程》要求。

图1 原设计方案平面布置图 单位:m

图2 原设计方案泄洪闸剖面图 单位:m

图3 泄洪闸上游库水位～泄流量关系曲线图

3 原设计方案试验成果

3.1 泄流能力

试验测试了闸门5孔全开下的库水位～流量关系，测试成果见图3。

拟合公式为:Q=60.502(Z-233)1.646，相关系数R2=1.0

式中:Q为下泄流量，m3/s;Z为库水位，m。

各特征工况泄流能力比较成果见表1。

表1 特征工况泄流能力比较表

由表1可知，在设计P=1.00%及以下洪水，泄洪闸泄流能力富余幅度很大，依据调洪原则均需闸门控制局部运行;校核工况 (P=0.10%)富余18.30%。因此，泄洪闸泄流能力能满足设计要求。

如果维持规模不变，则大坝坝顶高程可以降低1.00m左右。

3.2 沿程水流流态和流速分布

校核工况、设计工况泄洪时，水流流态均比较相似。校核和设计工况消力池中均能够形成淹没水跃，池中翻滚尚强烈，消能较为充分;而消能工况水流在消力池中翻滚不明显，主流潜底，从护坦末端上冲，消能不充分。具体见图4及图5。

图4 设计工况消力池水流流态图

图5 消能工况消力池水流流态图

由于消力池导墙高度不足，水流未出消力池就斜向电站尾水渠方向，并且消力池左右两侧均存在大范围的回流区，两侧回流区部分水流均直接从消力池两侧横向进入消力池，影响水跃的形成。

3.3 消能效果

校核工况和设计工况，水流在消力池中发生剧烈翻滚，紊动强烈，消能较为充分，消能率分别达到了36.6%和55.2%;消能工况时，虽然水流在消力池中未见翻滚，主流潜底，但是由于消力池中的水垫深 (校核工况和消能工况下游水深达到了18.30m和15.50m)，流速减缓作用还是比较明显，消能率也达到了53.7%。究其原因，主要是原设计方案消力池坎后长度为64.60m、底高程214.00m的混凝土护坦，其末端与原河道地形自然衔接，而河道高程约220.00m，这样就形成了实际上的二级池情况。

水流出护坦末端后存在二次跌落情况，特别是设计和校核工况，流速远远大于护坦上的流速，需要注意河道的保护。

3.4 堰面压力分布

校核工况时，实测最大负压值1.87mH2O，最小气穴指数为0.53;消能工况时，实测最大负压值1.00mH2O，最小气穴指数为0.69。满足SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》要求的在当地大气压条件下，当宣泄校核洪水位闸门全开时，负压值不应超过6.00mH2O。气穴指数均大于临界气穴指数σ=0.3，所以溢流堰面不至于发生气蚀破坏，溢流曲线基本合适。

3.5 存在的主要问题

(1)泄流能力富裕度过大;

(2)消力池边墙高度不足;

(3)左右侧回流区及流速较大，影响电站尾水渠出水;

(4)消能工况消力池主流潜底。

4 推荐方案试验成果

4.1 工程布置

为了消除消力池左右侧大范围回流区，减轻对两岸以及电站尾水渠的影响，提高消能效果，对工程布置进行了以下修改:

(1)加设消力池右侧导墙:消力池右侧加设直立导墙到0+060m，顶高程227.00m;

(2)设置电站尾水渠右侧导墙:右侧加设15.00m长导墙，右偏15°，顶高程227.00m;

(3)泄洪闸往大坝左侧平移两个坝段位置，平移36.00m;

(4)泄洪闸闸墩墩尾设置宽尾墩:宽尾墩长度6.00m、墩首宽度2.50m、墩尾宽度7.00m，收缩比0.4375，顶高程237.00m。

修改后工程平面布置、剖面布置见图6～9。

图6 推荐方案平面布置图 单位:m

图7 推荐方案泄洪闸剖面图 单位:m

图8 宽尾墩平面布置图 单位:m

图9 宽尾墩剖面布置图 单位:m

4.2 试验结果

(1)回流区:在消力池导墙和电站尾水渠导墙的作用下，下泄水流在消力池左右侧的回流范围大大减小，回流强度也大大减弱。在右侧坝脚附近，回流几乎消失，电站尾水渠出口基本不受回流的影响。

(2)消能效果:在宽尾墩作用下，入池水舌纵向拉开非常明显，水流在消力池内形成强烈旋滚，消能充分，池长即使缩短15.00m也能够满足消能要求。在消能工况下，水流主流潜底现象基本消除，消力池坎上流速分布比较均匀，左右基本对称，垂向面大底小，消力池尾坎上平均流速为2.0m/s，消能率约56.9%。另外，水流出消力池后，基本沿着河道中间下泄，原先斜向电站尾水渠的现象消除了。设计工况及消能工况水流流态见图10、图11。

图10 推荐方案设计工况闸下水流流态图

图11 推荐方案消能工况闸下水流流态图

5 结语

通过水工模型试验，对潜明水库泄洪闸的平面布置进行了优化论证，试验提出的工程布置推荐方案，可以有效减轻下泄水流对左右两岸的冲刷，以及对电站尾水渠的影响。特别是利用宽尾墩+底流消能技术可以有效提高消能效果，该技术在浙江省尚属首次应用。

［1］包中进，屠兴刚.好溪水利枢纽工程潜明水库一期泄洪闸水工模型试验研究报告［R］.杭州:浙江省水利河口研究院，2013.

［2］李炜，徐孝平.水力学［M］.武汉:武汉大学出版社，2000.

［3］李炜.水利计算手册 ［M］.北京:中国水利水电出版社，2011.

［4］包中进，陆芳春，史斌.浙江省曹娥江大闸水力特性试验研究［J］.中国农村水利水电，2005(5):60-63.

［5］史斌，包中进，陆芳春.曹娥江枢纽闸下冲刷试验研究 ［J］.浙江水利科技，2004(6):32-34.

［6］包中进，王月华.基于FLOW-3D软件的溢洪道三维水流数值模拟［J］.浙江水利科技，2012(2):5-9.